國產數據庫與Oracle數據庫事務差異分析

數據庫中的ACID是事務的基本特性，而在Oracle等數據庫遷移到國產數據庫國產中，可能因為不同數據庫事務處理機制的不同，在遷移后的業務邏輯處理上存在差異。本文簡要介紹了事務的ACID屬性、事務的隔離級別、回滾機制和超時機制，并總結SAVEPOINT的使用，以總結。

1、數據庫中事務基本概念

事務是數據庫中的基本邏輯操作單元，由一組不可分割的數據庫操作序列組成，這些操作要么全部成功執行，要么全部失敗回滾。其核心目的是確保數據的完整性和一致性，尤其在并發操作或系統故障時維護數據庫的可靠狀態。

1.1 事務基本屬性

ACID是事務的基本特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）和持久性（Durability）。

原子性：事務中的所有操作必須作為一個整體執行，要么全部執行成功、要么全部失敗回滾，不允許出現部分成功的情況。在數據庫中通常是通過日志記錄（如undo log）來實現回滾操作，若事務執行失敗，系統跟進日志撤銷已執行的操作。
一致性：事務執行前后，數據庫必須保持一致性狀態。所有數據必須滿足預定義的完整性約束（如主鍵、外鍵、唯一性約束等）。即使事務失敗，數據庫也不能破壞這些規則。在數據庫中通過一些約束和檢查來確保數據庫的完整性約束。
隔離性：多個事務并發執行時，每個事務的操作應與其他事務相互隔離，使得每個事務感覺不到其他事務的存在，最終效果應與事務串行執行的結果一致。數據庫中通過鎖機制（Locking）或多版本并發控制（MVCC）實現，不同的隔離級別提供不同程度的隔離性。
持久性：事務一旦提交，其對數據庫的修改就是永久性的，即使系統發生故障（如斷電、崩潰），修改也不會丟失。數據庫中通過重做日志（Redo Log）實現持久性。提交事務時，對數據的修改首先寫入日志，再異步寫入數據庫文件中。當數據庫崩潰恢復時，通過重放日志恢復數據。

以轉賬交易為例，通過undo日志實現原子性，確保“扣款”和“存款”兩個操作要么全部成功，要么全部失敗；一致性是確保轉賬前后，數據庫必須滿足業務規則（如余額不為負、總額不變）；通過鎖機制和MVCC多版本并發控制來實現事務的隔離性，多個并發轉賬操作互不干擾，結果與串行執行一致；持久性則是一旦轉賬成功，即使系統崩潰，修改也不會丟失。

BEGIN TRANSACTION;
-- 1. 檢查一致性：用戶A余額是否足夠（一致性）
SELECT balance FROM accounts WHERE user = 'A' FOR UPDATE;
-- 如果余額 < 100，拋出錯誤并回滾
-- 2. 扣款（原子性）
UPDATE accounts SET balance = balance - 100 WHERE user = 'A';
-- 3. 存款（原子性）
UPDATE accounts SET balance = balance + 100 WHERE user = 'B';
-- 4. 提交（持久性）
COMMIT;

1.2 事務隔離級別

事務隔離級別是數據庫事務處理的基礎，SQL-92標準定義了4種隔離級別：讀未提交(READ UNCOMMITTED)、讀已提交(READ COMMITTED)、可重復讀(REPEATABLE READ)、串行化(SERIALIZABLE)。詳見下表：

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不同的隔離級別有不同的現象，并有不同的鎖和并發機制。隔離級別越高，數據庫的并發性能就越差。

1.2.1 臟讀/不可重復讀/幻讀現象

1）臟讀
A事務讀取B事務尚未提交的更改數據，并在這個數據的基礎上進行操作，這時候如果事務B回滾，那么A事務讀到的數據是不被承認的。

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2）不可重復讀
不可重復讀是指在同一個事務中，同一個查詢在T1時刻讀取一行數據，在T2時刻重新讀取這一行數據的時候，發現這一行數據已經發生了修改（被更新或者刪除）。假如A在取款事務的過程中，B往該賬戶轉賬100，A兩次讀取的余額發生不一致。

3）幻讀
幻讀是指在同一個事務中，當同一個查詢多次執行的時候，由于其它插入操作的事務提交，會導致每次返回不同的結果集。不可重復讀和幻讀的區別是：前者是指讀到了已經提交的事務的更改數據(修改或刪除)，后者是指讀到了其他已經提交事務的新增數據。

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1.2.2 行鎖模式

Share：lock owner和任何并發程序可以read但是不能change locked page或row，并發程序可能獲得S-lock、U-lock，也可能沒有lock就進行讀操作
Update：lock owner可read但是不能change locked page或row，但是owner可以將U-lock升級為X-lock這樣就可以修改page或row
- 升級為X-lock這個過程可能會引起其它S-lock的并發進程暫停在那
- 當lock owner讀數據的時候并決定是否需要修改它的時候，U-lock會減少deadlocks的幾率
Exclusive：只有lock owner才能read或change locked page或row，并發程序只有當程序處于UNCOMMITTED read isolation的時候才能訪問數據
Lock mode compatibility，見下表

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比如說User A對page hold住S-lock，如果User B想對page請求X-lock，則User A的lockmode會拒絕User B的請求。

1.2.3 隔離級別

1）讀未提交（Read Uncommitted）
讀未提交，就是一個事務可以讀取另一個未提交事務的數據，也稱為臟讀。在讀數據時候不加鎖，寫數據時候加行級別的共享鎖，提交時釋放鎖。行級別的共享鎖，不會對讀產生影響，但是可以防止兩個同時的寫操作

2）讀已提交隔離級別（Read Committed）
讀提交，就是一個事務要等另一個事務提交后才能讀取它的數據，否則是讀取不到另外一個事務的更改的數據。
事務讀取數據（讀到數據的時候）加行級共享S鎖，讀完釋放；事務寫數據時候（寫操作發生的瞬間）加行級獨占X鎖，事務結束釋放。由于事務寫操作加上獨占X鎖，因此事務寫操作時，讀操作也不能進行，因此，不能讀到事務的未提交數據，避免了臟讀的問題。但是由于，讀操作的鎖加在讀上面，而不是加在事務之上，所以，在同一事務的兩次讀操作之間可以插入其他事務的寫操作，所以可能發生不可重復讀的問題。

3）可重復讀隔離級別（Repeatable Read）
當事務隔離級別為可重復讀時，只能讀到該事務啟動時已經提交的其他事務修改的數據，未提交的數據或在事務啟動后其他事務提交的數據是不可見的。對于本事務而言，事務語句可以看到之前的語句做出的修改。
事務讀取數據在讀操作開始的瞬間就加上行級共享S鎖，而且在事務結束的時候才釋放。但是，由于加的是行級別的鎖，仍然可能發生幻讀的問題。

4）序列化（Serialization）
最嚴格的隔離級別，強制事務串行執行，使之不可能沖突，從而解決幻讀的問題，資源消耗最大。在讀操作時，加表級共享鎖，事務結束時釋放；寫操作時候，加表級獨占鎖，事務結束時釋放。在這個級別，可能會導致大量的鎖超時和鎖競爭現象，實際上也很少用到。

1.2.4 不同數據庫隔離級別

不同數據庫支持的隔離級別也不同

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Oracle數據庫支持讀已提交和序列化，默認隔離級別為Read Committed，通過通過多版本并發控制（MVCC）避免臟讀，但存在不可重復讀和幻讀。
MySQL數據庫支持四種隔離級別，默認為可重復讀，通過MVCC和間隙鎖來減少幻讀問題。
MySQL數據庫支持四種隔離級別，默認為Read Committed
OceanBase（for Oracle）模式支持讀已提交和序列化，默認為Read Committed
TiDB支持讀已提交、可重復讀和序列化，默認為Repeatable Read，其實在TiDB中實現是快照隔離，類似可重復讀；
GoldenDB兼容MySQL的隔離機制，支持4種隔離級別，但是默認的級別是Read Committed，也是并發和一致性平衡的結果；
GaussDB支持Read Committed和Repeatable Read，默認隔離級別是Read Committed

1.3 事務回滾機制

事務的原子性要求事務要么全部執行成功、要么全部執行失敗回滾，但是對于Oracle數據庫支持語句級的原子性，也就是一個事務中單個語句執行失敗，則只會回滾該語句執行的操作，不會導致在當前事務中丟失之前的任何工作。如果需要回滾整個事務，需要處理錯誤并且主動調用ROLLBACK。這種語句級的回滾對于處理一些長時間運行的批處理任務有用，邏輯上希望能夠處理錯誤，不需要回滾已經完成的所有操作。

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不過從Oracle數據庫遷移到國產數據庫中，大部分數據庫在事務的回滾機制上并不支持語句級別的，因此需要通過采用SAVEPOINT保存點的方式。使用savepoint雖然可以解決語句級別功能上的需求，但是不合理的使用可能引發其它問題。

1.4 事務超時機制

數據庫中事務會設置不同的超時機制，防止因為出現等鎖而出現無限等待，超過這個時間后會出現等鎖超時，事務會回滾。

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Oracle數據庫：默認不會主動終止因行鎖等待而阻塞的事務，事務會無限期等待鎖釋放，需由應用層處理或手動終止，行鎖在事務提交或回滾是自動釋放；事務默認也無超時設置，但是可以限制會話的空閑時間，超過時間后會斷開鏈接。
MySQL數據庫：通過 innodb_lock_wait_timeout 控制，默認為50秒。當事務等待鎖超過此時間時，會拋出錯誤；事務中無默認超時時間，但是連接的空閑超時設置wait_timeout，默認8小時。
PostgreSQL：通過pg_lock_timeout設置行鎖等待超時時間，默認為0無限等待；事務中設置statement_timeout 控制單條SQL執行時間，默認無限制。
TiDB：兼容MySQL行鎖等待設置；如果是悲觀事務，默認TTL（Time-To-Live）為 1小時，超時后自動回滾，另外通過tidb_idle_transaction_timeout 控制空閑事務。
OceanBase：MySQL模式下兼容MySQL設置；事務中通過 ob_query_timeout 控制事務單條語句執行時間，默認1800s
GoldenDB：兼容MySQL設置
GaussDB：參數lockwait_timeout控制單個鎖的最長等待時間，當申請的鎖等待時間超過設定值時，系統會報錯，默認為20min；通過通過 statement_timeout 控制單個語句執行時長，默認0表示不控制。

1.5 如何使用SAVEPOINT

前文提到Oracle數據庫中支持語句級別的回滾，在遷移到國產數據庫后，為了兼容Oracle數據庫這個特性，很多數據庫支持savepoint機制。SAVEPOINT 是事務中的一個邏輯標記點，用于標識事務執行到某個特定位置的狀態。通過ROLLBACK TO SAVEPOINT可以回滾到該標記點，撤銷該點之后的所有操作，但保留該點之前的操作。SAVEPOINT可以提供細粒度的事務控制，避免因整個事務回滾導致的數據丟失。對于一些復雜或長時間運行的事務中，可以分階段提交或回滾操作。

BEGININSERT INTO orders (id, amount) VALUES (1, 100);SAVEPOINT sp1;  -- 設置保存點sp1UPDATE inventory SET stock = stock - 1 WHERE product_id = 101;SAVEPOINT sp2;  -- 設置保存點sp2-- 假設此處發生錯誤ROLLBACK TO sp1;  -- 回滾到sp1，撤銷UPDATE操作COMMIT;           -- 提交事務（僅保留INSERT操作）
END;

但是在一個長事務中不規范的使用SAVEPOINT可能會導致實例內存上漲、事務執行時間異常的問題。比如在Oracle數據庫中的一個游標查詢語句，每1K筆執行一次，遷移到GaussDB之后，URL串中指定了autosave參數，這樣在每次游標訪問時候都會執行一次SAVEPOINT動作，原來幾分鐘的任務可能幾個小時都執行不完，出現很多SAVEPOINT等待事件，并且數據庫實例的內存逐漸上漲。

那么對于一些復雜的業務場景，如何合理的使用SAVEPOINT？